祁連山區(qū)雪冰反照率變化及其對冰川物質(zhì)平衡的影響

張?zhí)珓偅?高壇光，2， 刁文欽， 張玉蘭

（1.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，甘肅蘭州730000；2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，甘肅蘭州730000；3.中國科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京100101）

0 引言

冰川是氣候和水文過程的產(chǎn)物，它的形成與發(fā)展深受氣候變化的影響［1］。山地冰川是冰凍圈的重要組成部分，對太陽輻射具有較高的反照率，冰川加速消融深刻影響著冰凍圈地區(qū)水量平衡、水文過程乃至大氣環(huán)流［2-3］。中國冰川面積在全球排名第四［4］，冰川資源十分豐富。發(fā)源于青藏高原及其周邊地區(qū)的數(shù)條重要河流（如黃河、長江、印度河和恒河）均受到雪冰融水的補(bǔ)給，冰川的動態(tài)變化不僅影響河流下游幾十億人的生產(chǎn)生活和社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展［5-6］，還對全球氣候變化和海平面升高等具有重要影響［3，7-8］。

雪冰反照率可影響冰川表面能量收支狀況，特別是雪冰反照率的降低可顯著加速冰川表層雪的老化過程，是影響雪冰消融的重要因素之一［9-11］。冰川表面反照率的變化受諸多因素的控制，如氣溫、降水、成冰作用、黑碳等，其中黑碳等吸光性雜質(zhì)（包括黑碳、粉塵、有機(jī)碳等）的影響備受關(guān)注［12-16］。由于吸光性雜質(zhì)的存在，雪冰表面變暗，促進(jìn)雪的老化以及雪粒徑的增大，加速雪冰消融；該過程又使得吸光性雜質(zhì)富集于冰川表面且濃度進(jìn)一步增大，進(jìn)而導(dǎo)致冰川反照率的持續(xù)降低［11，15］，形成正反饋?zhàn)饔?。目前，基于WRF-Chem模式模擬以及衛(wèi)星數(shù)據(jù)評估結(jié)果表明，季風(fēng)時期，吸光性雜質(zhì)的作用可導(dǎo)致喜馬拉雅冰川區(qū)反照率降低4%～8%，導(dǎo)致的輻射強(qiáng)迫可達(dá)30～50 W·m-2［17］，雪冰消融加劇，并可影響該地區(qū)的水循環(huán)過程。這種影響在喜馬拉雅西部地區(qū)更為顯著，反照率降低導(dǎo)致的雪冰消融可達(dá)3.00～9.65 mm·d-1［18］。

研究發(fā)現(xiàn)，對藏東南地區(qū)冰川而言，由于反照率降低而導(dǎo)致的雪冰消融約為350 mm w.e.·a-1，其貢獻(xiàn)可達(dá)總消融量的15%［10］。青藏高原西部帕米爾地區(qū)冰川雪冰表面反照率降低對冰川消融的貢獻(xiàn)可達(dá)6.3%，對應(yīng)的冰川夏季消融速率可增加0.8 mm·d-1［14］。高原北部的祁連山老虎溝12號冰川，由于消融期雪冰反照率降低而導(dǎo)致的冰川消融量 為200～400 mm w.e.，占 總 消 融 量 的20%～40%［12］。上述研究進(jìn)一步證實(shí)，雪冰反照率的變化深刻影響著冰川的物質(zhì)能量平衡。但是，在青藏高原地區(qū)，基于觀測與模擬的冰川反照率變化及其與物質(zhì)平衡之間的研究仍顯薄弱，特別是較大范圍內(nèi)雪冰反照率的變化特征及其對冰川物質(zhì)平衡的影響亟待加強(qiáng)。

祁連山位于青藏高原北部邊緣，冰川及其融水是我國西北干旱區(qū)重要的水資源，對綠洲生態(tài)系統(tǒng)及其社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。祁連山冰川目前處于虧損狀態(tài)，普遍退縮減?。?，19-21］。整體上，冰川面積和儲量減少幅度呈山區(qū)南坡大于北坡、東側(cè)大于西側(cè)的特征［22］。已有研究發(fā)現(xiàn)，老虎溝12號冰川雪冰反照率的降低顯著影響其消融［12］，但目前仍缺乏對祁連山地區(qū)冰川反照率變化及其物質(zhì)平衡的系統(tǒng)性研究。鑒于此，本文利用美國國家雪冰數(shù)據(jù)中心提供的逐日積雪反照率數(shù)據(jù)、中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析與歸納，以期闡明祁連山區(qū)典型冰川區(qū)反照率的時空變化特征及其影響因素，厘清冰川面積與雪冰反照率變化之間的響應(yīng)關(guān)系，結(jié)合兩條典型冰川（老虎溝12號冰川和七一冰川）探討冰川反照率變化對冰川物質(zhì)平衡的影響，為進(jìn)一步研究冰川變化以及對冰川水資源的影響提供新的有益參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

祁連山位于青藏高原北部邊緣，周邊分布著沙漠、戈壁和荒漠。祁連山區(qū)內(nèi)由多條西北—東南走向的山系組成（圖1）。根據(jù)《中國第二次冰川編目》統(tǒng)計，祁連山區(qū)共發(fā)育冰川2 683條，冰川面積1 579.81 km2，冰儲量88.48 km3［23］，這些冰川分屬于黃河水系、柴達(dá)木內(nèi)流水系、以及河西內(nèi)流水系。祁連山位于我國西北干旱區(qū)與半干旱區(qū)的中心，冰川融水徑流可以占到出山口徑流的22%，在有些地區(qū)甚至更高［24］，為周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展提供了重要水資源保障［25］。因此，這一地區(qū)冰川的發(fā)育與演替，對其自身和周邊區(qū)域的自然環(huán)境和人類活動都會產(chǎn)生重大影響。

祁連山地區(qū)的氣候全年受中緯度西風(fēng)環(huán)流的影響，但在夏季山區(qū)的南部和東部可以分別受到南亞季風(fēng)和東亞季風(fēng)的影響［26］。祁連山周邊分布著大量的沙漠、戈壁，其對全球氣候變化非常敏感，是生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一。過去40多年來，受全球氣候變化的影響，祁連山區(qū)整體呈現(xiàn)暖濕化的趨向，平均氣溫和降水量的增加速率分別達(dá)到0.38℃·（10a）-1和9.7 mm·（10a）-1［27］。根 據(jù)Liu等［28］對冰芯及氣象數(shù)據(jù)的分析，老虎溝12號冰川退縮的主要原因是溫度的升高，溫度升高1.5℃所造成的冰川消融量需要降水增加30%來彌補(bǔ)［29］。

目前，祁連山地區(qū)面積小于1 km2的冰川急劇萎縮導(dǎo)致冰川面積顯著減少。到1990年，祁連山西段，冰川面積和冰儲量相較于1956年分別減少了10.3%和9.3%；而在1956—2003年期間，祁連山中段冰川面積減少了21.7%；祁連山東段冷龍嶺地區(qū)，1972—2012年，冰川面積從101.6 km2減少到66.7 km2，面積退縮率達(dá)到0.86%·a-1，部分冰川完全 消失，冰川 整 體處 于 退縮 狀 態(tài)［23，30-31］。1956—2010年祁連山區(qū)冰川面積和冰儲量分別減少420.81 km2（約 占20.88%）和21.63 km3（約 占20.26%），冰川數(shù)量和面積在各個朝向均呈減少勢態(tài)［23，32］。

老虎溝12號冰川（冰川編號5Y448D0012，39°26.4′N、96°32.5′E），位于祁連山西段邊緣北坡，隸屬于疏勒河上游區(qū)域，是該區(qū)域最大的山谷型冰川，按冰川的物理特性分類，屬于極大陸型冰川。該冰川由東西兩支組成，全長9.8 km，面積為21.03 km2，平均厚度為101.05 m，冰川末端海拔4 300 m，冰川朝向北［圖1（b）］。降水主要發(fā)生在春夏季，4—9月降水量占到全年降水的84%［12］。過去50多 年來，老虎 溝12號冰川 退縮 了約240 m［19］，2000—2014年高程年均變化為-0.29 m［20］，2012年6月1日—9月30日模擬的冰川物質(zhì)平衡為-506 mm w.e.［21］。七 一 冰 川（冰 川 編 號5Y437C18，39°14.22′N、97°45.34′E）位于祁連山走廊南山西段，冰川融水流入北大河支流柳溝泉河，最高峰海拔5 158.8 m，冰川規(guī)模較小，面積2.53 km2，冰川主體朝向北［圖1（c）］，按冰川的物理特性分類，屬于亞大陸型冰川［33］。

圖1 祁連山系（a）及老虎溝12號冰川（b）和七一冰川（c）示意圖Fig.1 The Qilian Mountains system（a），and sketch map of Laohugou Glacier No.12（b）and Qiyi Glacier（c）

1.2 數(shù)據(jù)與處理方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源及處理方法

MODIS識別積雪的方法主要是利用了積雪在波 長1.6μm處 的 強(qiáng) 吸 收 特 性［34-35］。MOD10A1（MODIS/Terra Snow Cover Daily L3 Global 500 m SIN Grid V006）積雪產(chǎn)品是美國國家雪冰數(shù)據(jù)中心（NSIDC）發(fā)布的逐日積雪產(chǎn)品，空間分辨率500 m，利用專門為地球觀測系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)據(jù)存儲格式EOS-HDF進(jìn)行分層存儲。該產(chǎn)品由積雪分類、積雪反照率、積雪覆蓋率以及質(zhì)量控制四部分組成。

在老虎溝冰川海拔約4 500 m處［圖1（b）］，建立了一個自動氣象站進(jìn)行了連續(xù)6年的持續(xù)觀測，實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，2010年、2013年、2014年及2015年這4年的年平均反照率分別為0.52、0.43、0.46和0.54［36］，這與MODIS遙感數(shù)據(jù)的觀測結(jié)果相近，分別為0.52、0.40、0.42、0.54，這說明此反照率產(chǎn)品在本地區(qū)擁有良好的適用性，可以用于積雪反照率時空變化研究。本文利用祁連山冰川面積矢量數(shù)據(jù)和美國國家雪冰中心提供的地表反射率產(chǎn)品

MYD09A1（MODIS/Terra Surface Reflectance 8-Day L3 Global 500 m SIN Grid V006），提取冰川有效行列號，按照子流域編號歸類各冰川區(qū)，之后利用Matlab程序提取積雪產(chǎn)品MOD10A1（2001—2017年）數(shù)據(jù)層中的積雪反照率數(shù)據(jù)（SAD），產(chǎn)品編碼為h25v05和h26v05?？紤]到陸地對雪冰反照率的影響，本文將未包裹在冰川邊界內(nèi)部的像元全部剔除。去掉云影響及其他無效值的MODIS反照率產(chǎn)品，在各個冰川區(qū)實(shí)際運(yùn)用率達(dá)到37.1%，最高為47.7%，最低30.0%。

老虎溝12號冰川物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)［12］，其采用測桿和雪坑相結(jié)合的單點(diǎn)物質(zhì)平衡觀測方法，在冰川上共布置14行觀測桿，每排垂直間隔約50 m。七一冰川物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)［6］。

1.2.2 祁連山冰川區(qū)劃分

子流域編號與《中國冰川目錄》中冰川編碼格式含義一致。每一個子流域冰川區(qū)可能包含一條或多條冰川，如老虎溝流域冰川區(qū)（5Y448D），包含43條冰川（5Y448D0001～5Y448D0043）。按照這種分類方法，將祁連山冰川區(qū)（指包含有反照率數(shù)據(jù)的）共分為了91個不同的區(qū)域。在這91個子流域中所包含的冰川共1 455條，面積達(dá)1 281.4 km2，占整個祁連山冰川總面積的80%。為系統(tǒng)全面的分析其反照率時空變化特性，按照冰川的地理分布特征，將上述91個子流域冰川區(qū)整合為以下15個冰川區(qū)［圖2（a）］。

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)冰川面積與反照率的關(guān)系

祁連山地區(qū)冰川反照率空間變化存在差異，多年平均反照率變化范圍為0.34～0.74。全球變暖導(dǎo)致了大規(guī)模冰川活動加劇，較小的冰川比較大的冰川退縮更嚴(yán)重［3］。在祁連山，反照率的空間變化特征為西部大、東部小，這也與冰川區(qū)的面積相適應(yīng)，如西部東土爾根達(dá)坂山冰川區(qū)冰川平均面積達(dá)30.48 km2，多年平均反照率為0.612；東部的東走廊南山冰川區(qū)冰川平均面積為8.8 km2，多年平均反照率為0.453，低于平均水平（圖2）。整個祁連山冰川區(qū)冰川多年平均反照率為0.532±0.09，與冰川面積之間呈一定的正相關(guān)關(guān)系（R2=0.16，P＜0.05）［圖3（a）］。祁連山區(qū)可提取反照率值的冰川共1 455條，分散在91個不同的子流域中，分別分布在圖2（a）所示的15個冰川區(qū)中，其中流域冰川面積大于20 km2的有22個，面積小于5 km2的有21個［圖3（a）］。在所研究的22個大冰川流域中，有86%的冰川反照率值高于祁連山冰川區(qū)多年平均反照率值0.532，其多年反照率達(dá)到0.587；而在21個小流域冰川區(qū)中，只有28%超過了0.532，其多年平均反照率為0.490。該結(jié)果表明，冰川面積大，雪冰反照率會偏向于高值，小冰川較低的反照率更易于導(dǎo)致冰川消融加速。以老虎溝12號冰川和七一冰川為例，老虎溝12號冰川多年反照率為0.661，而七一冰川為0.439。相比于大冰川，小冰川的冰川作用正差和雪線以上的冰川面積小，對氣候變化更加敏感，氣溫升高導(dǎo)致冰川平衡線上移，很可能會超過流域最高高度，使整個冰川都處于消融狀態(tài)而沒有積雪/粒雪的分布。大冰川由于有較高的海拔，夏季表面還會存在積雪/粒雪，導(dǎo)致較高的反照率。另外，小冰川周圍多裸露基巖，風(fēng)力容易將塵埃物質(zhì)吹揚(yáng)到冰川表面，造成反照率偏低。這些原因共同造成小冰川與大冰川之間的反照率差異。

圖3 祁連山冰川面積與反照率的關(guān)系Fig.3 The relationship between glacierized area and albedo in the Qilian Mountains：91 glacier sub-basins（a），and 15 typical glacier regions（b）

不同冰川區(qū)所研究的冰川的平均面積以及反照率結(jié)果也顯示，較大的冰川區(qū)雪冰反照率相比于小冰川區(qū)更趨向于高值［圖2（b）和（c）］。分析表明，在這些冰川流域中，當(dāng)冰川面積減小1 km2，平均反照率就要下降0.0025［圖3（a）］。而對于祁連山各冰川區(qū)來說，冰川面積減小1 km2，平均反照率下降0.0063［圖3（b）］。

2.2 典型冰川表面反照率變化特征

對典型冰川而言，老虎溝12號冰川年均雪冰反照率變化雖有波動，但幅度不大，平均反照率約為0.661，變化范圍為0.62～0.70［圖4（a）］，隨時間并無顯著變化趨勢。該冰川年均反照率最低值出現(xiàn)在2013年，為0.627；最高值出現(xiàn)在2008年，為0.694。對面積較小的七一冰川分析結(jié)果表明，年均反照率為0.439，且各時段的反照率值均低于老虎溝12號冰川；冰川反照率在2013年出現(xiàn)最低值，為0.383；最高值出現(xiàn)在2008年，為0.478［圖4（b）］。

在研究時段內(nèi)，老虎溝12號冰川雪冰反照率的季節(jié)變化大致相似，月均反照率最低值大部分出現(xiàn)在8月（平均為0.514），次之出現(xiàn)在7月；冰川月均反照率最高值大致出現(xiàn)在1月或2月，平均為0.769，之后逐漸降低。但在某些年份（如2001、2006、2013年），雪冰反照率從4月開始有一個短暫的升高，進(jìn)入6月后迅速降低并在7月或8月出現(xiàn)最小值［圖4（c）］。老虎溝12號冰川反照率在夏季消融期出現(xiàn)低值這一特征，與該冰川海拔4 550 m處的實(shí)測結(jié)果一致［12］。對七一冰川而言，雪冰反照率通常在2月出現(xiàn)極小值，之后升高，到7月或8月再出現(xiàn)極小值［圖4（d），表1］。

圖4 祁連山老虎溝12號冰川與七一冰川2001—2017年反照率變化（a，b）及老虎溝12號冰川和七一冰川月均反照率變化（c，d）Fig.4 Variations of albedo for Laohugou Glacier No.12（a）and Qiyi Glacier（b）in the Qilian Mountains during 2001—2017，and monthly average albedos for Laohugou Glacier No.12（c）and Qiyi Glacier（d）

表1 祁連山老虎溝12號冰川和七一冰川月均反照率及其變化趨勢Table 1 Monthly average albedos for Laohugou Glacier No.12 and Qiyi Glacier in the Qilian Mountains and their changing trend

祁連山老虎溝12號冰川積累區(qū)朝向北，消融區(qū)朝向西北。多年平均反照率在空間的分布上呈現(xiàn)由高海拔向低海拔降低的趨勢，這與海拔效應(yīng)相一致［圖5（a）］。高反照率值出現(xiàn)在海拔5 100～5 200 m范圍內(nèi)的平坦粒雪盆［圖5（a）中1#、2#］，為0.731。海拔5 200 m往上的區(qū)域，冰川反照率并不會隨海拔的升高而升高，主要原因可能與冰川邊緣往往是由被積雪覆蓋的山體有關(guān)，該區(qū)域地形起伏較大，通常會有巖石出露，造成反照率的降低。這可能也是東支冰川的反照率要明顯高于西支冰川的原因，是海拔和地形共同作用的結(jié)果，如在圖5（a）中3#區(qū)，地形變幅大，相比于同海拔地區(qū)，反照率明顯偏低。在圖5（a）中4#區(qū)，處于平衡線附近，此處往往是反照率變化最為敏感的地區(qū)。在反照率的變化上，東支冰川也是高于西支冰川的［圖5（b）］。反照率在夏季，有著明顯的隨海拔升高而增加的趨勢，變化幅度可達(dá)到0.047（100m）-1［圖5（c）］，夏季平均反照率為0.555。而在冬季，平均反照率可達(dá)0.726，反照率會在冰川上游開闊處表現(xiàn)出高值，為0.808，并未表現(xiàn)出明顯的海拔效應(yīng)［圖5（d）］。

圖5 祁連山老虎溝12號冰川反照率空間分布Fig.5 The spatial distribution of albedo for Laohugou Glacier No.12，Qilian Mountains：annual averaged albedo（a），change rate of albedo（b），albedo in summer（c），and albedo in winter（d）

2.3 雪冰反照率變化的影響因素

已有研究表明，雪冰反照率的變化受當(dāng)?shù)亟邓鉁?、太陽高度角、以及冰川表面的吸光性雜質(zhì)（如黑碳和粉塵）等的影響［3，12-13，37］。氣溫從物理上影響冰川表面反照率，溫度升高可導(dǎo)致冰川積累區(qū)面積縮小，雪的變質(zhì)老化作用由于輻射的增強(qiáng)而加快，細(xì)粒雪更快的向粗粒雪轉(zhuǎn)化，造成包括積累區(qū)在內(nèi)的整個冰川的反照率下降［32］。該過程除了加速冰川表面新降雪消融轉(zhuǎn)化，也會加速黑碳和粉塵等吸光性雜質(zhì)的富集，進(jìn)一步降低雪冰表面反照率而形成正反饋效應(yīng)［11］。

圖6 祁連山地區(qū)氣象臺站1961—2012年氣溫與降水變化Fig.6 Annual variations of air temperature and precipitation recorded from the meteorological stations in the Qilian Mountains during 1961—2012

在全球變暖的大背景下，遙感和實(shí)測數(shù)據(jù)均顯示祁連山大部分地區(qū)氣溫升高的現(xiàn)象，通過站點(diǎn)觀測的降水變化較?。▓D6）。祁連山東段冷龍嶺冰川區(qū)，降水波動變化不大，而氣溫上升較快，烏鞘嶺站觀測到年平均氣溫有明顯隨時間升高的趨勢（R2=0.5，P＜0.05）。氣溫的升高可能是造成這一地區(qū)冰川反照率降低、冰川加速退化的主要原因。對老虎溝12號冰川而言，消融期內(nèi)氣溫升高1.5℃導(dǎo)致月均雪冰消融增加10～25 mm w.e.［12］。老虎溝12號冰川與七一冰川反照率雖然沒有逐年下降的趨勢［圖4（a）和（b）］，但兩者的變化較為同步，有同增同減的特性，這說明影響兩者反照率變化的很可能是同一因素。托勒站是最靠近這兩條冰川的國家臺站［圖6（a）和（d）］，近50年來的觀測結(jié)果顯示，在溫度逐年升高的同時，降水也在增加（R2=0.17，P＜0.05）。Chen等［12］模擬了1960—2015年間老虎溝12號冰川的物質(zhì)平衡變化，發(fā)現(xiàn)自2000年以來溫度雖然持續(xù)上升，但冰川物質(zhì)平衡并沒有呈現(xiàn)急劇的負(fù)增長，且在2010年以后，由于降水的不斷增加，老虎溝12號冰川負(fù)物質(zhì)平衡狀態(tài)減緩，在2015年甚至呈現(xiàn)正物質(zhì)平衡狀態(tài)。這表明降水增加對雪冰反照率的影響彌補(bǔ)了因溫度升高、吸光性雜質(zhì)的富集而導(dǎo)致的反照率下降。這與青藏高原西部帕米爾地區(qū)冰川的變化較為類似［38-39］，即降水增加或降水形態(tài)改變了冰川夏季雪線的分布位置，將雪線向下推移，消融區(qū)大范圍、長時間的裸冰覆蓋減少，黑碳吸光性雜質(zhì)的富集減弱，導(dǎo)致冰川表面反照率增加，減緩冰川消融。

冰川反照率除了受氣溫、降水的影響外，近期對于冰川表面吸光性雜質(zhì)（主要包括黑碳、粉塵、有機(jī)碳等物質(zhì)）對雪冰消融的影響也備受關(guān)注［10，16］。特別由于近幾十年來社會、經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，排放到大氣中的黑碳越來越多，這些物質(zhì)沉降到冰川表面，降低雪冰反照率，同時氣溫升高會加快冰川消融，進(jìn)而導(dǎo)致黑碳、粉塵等吸光性雜質(zhì)在冰川表面富集，形成正反饋?zhàn)饔眠^程［9，11］。利用雪冰氣溶膠反照率（SNICAR）［9］模型模擬的老虎溝12號冰川表層雪冰含有黑碳/粉塵和未含黑碳粉塵的反照率結(jié)果表明（圖7），雪冰中黑碳和粉塵的作用可顯著加劇反照率的降低。在老虎溝12號冰川區(qū)2015年8月4—6日的實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，冰川表面新雪的黑碳濃度為193 ng·g-1［40］，相 對 于純 雪 模 擬 的 反 照 率（圖7，0.793）而言，新雪中黑碳導(dǎo)致的反照率降低可達(dá)0.762，對反照率降低的貢獻(xiàn)率可達(dá)13%；到第三天表面已經(jīng)變?yōu)楦郊颖谔紳舛冗_(dá)到11 040 ng·g-1，濃度高了兩個數(shù)量級，導(dǎo)致的反照率為0.509（圖7），對反照率降低的貢獻(xiàn)可達(dá)57%。已有研究表明，在青藏高原中部地區(qū)，黑碳和粉塵對反照率降低的貢獻(xiàn)可達(dá)52%和25%［12］，藏東南地區(qū)黑碳對雪冰反照率降低的貢獻(xiàn)約為15%［10，41-42］。這表明，黑碳和粉塵等吸光性雜質(zhì)對冰川反照率降低的影響不可忽略。特別是在在冰川消融區(qū)，由于冰川消融導(dǎo)致黑碳等吸光性雜質(zhì)在冰川表面富集，會進(jìn)一步降低冰川反照率。

圖7 SNICAR模型模擬的純雪反照率以及雪冰中不同濃度黑碳（BC）和粉塵對反照率的影響Fig.7 The simulated albedo for pure snow and the impact of different concentrations of black carbon and dust on the snow/ice albedo by using SNICAR model

總體而言，冰川在消融季節(jié)的表面能量平衡普遍受太陽輻射的控制，其表面融化對反照率變化極其敏感。引起小冰川強(qiáng)烈退縮的原因主要是升溫幅度大、冰川規(guī)模小以及冰川表面的黑碳等吸光性雜質(zhì)的影響。

2.4 反照率與冰川物質(zhì)平衡的關(guān)系

Wu等［35］對青藏高原中部小冬克瑪?shù)妆ǖ难芯恐邪l(fā)現(xiàn)，冰川年物質(zhì)平衡與年反照率最低值之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。不同的地區(qū)會有不同的氣候條件、大氣狀況和冰川性質(zhì)，相對于用來衡量物質(zhì)平衡變化的反照率指標(biāo)也有相當(dāng)大的復(fù)雜性和不確定性。對老虎溝12號冰川和七一冰川的研究發(fā)現(xiàn)，兩條冰川年物質(zhì)平衡與一個物質(zhì)平衡年的平均反照率之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，夏季（6—8月）平均反照率也同樣與物質(zhì)平衡存在顯著的相關(guān)性（圖8）。對老虎溝12號冰川而言［圖8（a）和（b）］，一個物質(zhì)平衡年的平均反照率和夏季平均反照率與物質(zhì)平衡擬合后決定系數(shù)R2分別達(dá)到了0.36（P＞0.05）、0.48（P＜0.05），七一冰川則分別為0.54（P＜0.05）、0.66（P＜0.05）［圖8（c）和（d）］。冰川反照率指標(biāo)與年物質(zhì)平衡之間的良好線性關(guān)系可以很好地模擬重建出一個地區(qū)冰川物質(zhì)平衡的歷史變化［43-44］。Zhang等［45］根據(jù)小冬克瑪?shù)妆ǚ凑章逝c年物質(zhì)平衡的統(tǒng)計關(guān)系，重建了普若崗日冰蓋、各拉丹冬山區(qū)冰川2000—2016年間的物質(zhì)平衡變化，很好地剖析了高原中部冰川近年的變化特征。老虎溝12號冰川和七一冰川夏季平均反照率與年物質(zhì)平衡之間良好的相關(guān)性，對研究祁連山地區(qū)冰川變化有著重要的意義。

觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，老虎溝12號冰川2014年的消融量為1 003 mm w.e.，由于黑碳和粉塵等吸光性雜質(zhì)導(dǎo)致反照率降低而增加的消融量約為200～400 mm w.e.［12］。夏季是整個冰川消融最劇烈的季節(jié)，雪冰反照率隨著吸光性雜質(zhì)的富集變化而變化，反照率的變化可直接體現(xiàn)出冰川消融的狀況。夏季平均反照率更適合作為衡量冰川物質(zhì)平衡變化的指標(biāo)，但需要在其他冰川區(qū)上加強(qiáng)驗證。

3 結(jié)論

本文利用2001—2017年MODIS逐日積雪反照率產(chǎn)品，闡明了祁連山冰川區(qū)反照率時空變化特性，探討了反照率變化的影響因素以及與冰川面積大小的關(guān)系；基于老虎溝12號冰川和七一冰川物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)，評估了祁連山地區(qū)冰川反照率變化反映冰川物質(zhì)平衡的適用性。主要結(jié)論如下：

（1）老虎溝12號冰川年均反照率變化雖有波動，但幅度不大，多年平均反照率為0.661，在0.62～0.70之間變化，沒有明顯的變化趨勢。月均反照率中以1月反照率值最高，達(dá)到0.747，8月最低，為0.514。反照率在空間的分布上呈現(xiàn)由高海拔向低海拔遞減的趨勢，與海拔效應(yīng)相一致，且東支冰川的反照率要明顯高于西支冰川。七一冰川多年反照率0.439，其各個時段的反照率均低于老虎溝12號冰川區(qū)的反照率，月均反照率最高值出現(xiàn)在5月，為0.537，最低值出現(xiàn)在2月，為0.313。這種反照率的差異與人類活動的影響密不可分。老虎溝12號冰川反照率在夏季有著明顯的海拔效應(yīng)，且強(qiáng)于其他季節(jié)，達(dá)到0.047·（100m）-1。

圖8 祁連山老虎溝12號冰川（a、b）及七一冰川（c、d）年均反照率和夏季平均反照率與冰川物質(zhì)平衡的關(guān)系Fig.8 Relationship between annual and summer albedos and glacier mass balance for Laohugou Glacier No.12（a，b）and Qiyi Glacier（c，d）in the Qilian Mountains

（2）祁連山冰川區(qū)多年反照率為0.532，冰川面積的大小與其年均反照率之間呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系（R2=0.16，P＜0.05），即冰川面積越大，其反照率值就越高，冰川面積減小1 km2，平均反照率就要下降0.0025。影響反照率變化的主要原因歸咎于氣溫、降水模式的變化以及冰川表面吸光性雜質(zhì)的富集等因素的影響。祁連山大部分地區(qū)溫度都在升高，但老虎溝12號冰川和七一冰川反照率并沒有下降的趨勢，其主要原因是降水的增加使得雪冰反照率增大，彌補(bǔ)了因氣溫升高、吸光性雜質(zhì)富集損失的部分。夏季消融期，冰川表面黑碳和粉塵等吸光性雜質(zhì)的富集對反照率降低有相當(dāng)大的貢獻(xiàn)。

（3）對老虎溝12號冰川和七一冰川的研究發(fā)現(xiàn)，兩條冰川年物質(zhì)平衡與夏季（6—8月）平均反照率之間存在顯著的相關(guān)性。對老虎溝12號冰川而言，夏季平均反照率與物質(zhì)平衡擬合后決定系數(shù)R2達(dá)到了0.48（P＜0.05），七一冰川為0.66（P＜0.05）。夏季平均反照率更適合作為衡量冰川物質(zhì)平衡變化的指標(biāo)，但需要在其他地方加強(qiáng)驗證。